DE3706635C2

DE3706635C2 -

Info

Publication number: DE3706635C2
Application number: DE19873706635
Authority: DE
Inventors: Ahmed Dipl.-Phys. Dr. 3155 Edemissen De Abou-Zeid
Original assignee: Spindler & Hoyer & Co 3400 Goettingen De GmbH
Current assignee: ABOU-ZEID, AHMED, DIPL.-PHYS. DR., 3155 EDEMISSEN,
Priority date: 1987-03-02
Filing date: 1987-03-02
Publication date: 1989-02-09
Also published as: DE3706635A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Stabilisierung der Frequenz einer Laserdiode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5. Laserdioden eignen sich insbesondere für Längenmessungen mit hoher Genauigkeit. Die gesuchte Länge ergibt sich in Abhängigkeit von Hell/Dunkelstreifen, die durch Interferenz des Laserlichts auftreten, und der Wellenlänge bzw. Frequenz der Laserdiode. Die Frequenz der Laserdiode muß also zu jedem Zeitpunkt der Messung bekannt sein. Eine permanente Messung der Frequenz der Laserdiode würde einen großen apparativen Aufbau erfordern und, hervorgerufen durch die Fehler bei der Frequenzmessung, die Genauigkeit der Längenmessung verringern. Es erweist sich daher als unumgänglich, eine Laserdiode zu verwenden, die Licht bekannter und konstanter Frequenz ausstrahlt.

Bedingt durch den Aufbau der Laserdiode variiert deren Frequenz bei Änderung der ihr zugeführten Stromstärke oder der Temperatur der laseraktiven Zone. Die Änderung der Stromstärke bewirkt hauptsächlich, infolge von Verlustwärme, eine Temperaturänderung der laseraktiven Zone. Es erweist sich daher als notwendig, die Temperatur der laseraktiven Zone, zumindest während der Längenmessung, konstant zu halten. Aus dem Artikel "Emission Frequency Stability in Single-Mode-Fibre Optical Feedback Controlled Semiconductor Lasers", Electronics Letters, Vol. 19, No. 17, Aug. 1983, p. 663-665 von F. Favre und D. Le Guen ist ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt.

Bei diesem Verfahren wird das Gehäuse der Laserdiode auf konstanter Temperatur gehalten, und zwar unabhängig von der der Laserdiode zugeführten Stromstärke. Nachteilig ist, daß beim Einschalten des Stroms der Laserdiode infolge der dadurch auftretenden Verlustwärme, wie bereits oben beschrieben, eine Frequenzänderung des Lichts der Laserdiode auftritt und die Frequenz des Lichts der Laserdiode solange variiert, bis die Kühlung des Gehäuses der Laserdiode, die durch den Strom hervorgerufene Erwärmung der laseraktiven Zone kompensiert hat. Die letztendlich vorhandene Frequenz des Lichts der Laserdiode ist bei diesem Verfahren nur in relativ großen Grenzen vorhersagbar, da die Kurve der Frequenz der Laserdiode über der Temperatur unstetig ist, in Form einer Treppenfunktion verläuft und eine Hysterese besitzt. Damit sind der Genauigkeit der Längenmessung enge Grenzen gesetzt. Der relative Fehler der Frequenz läßt sich ermitteln zu:

Δν/ν = 10^-3 mit ν [s^-1] Frequenz

des Lichts der Laserdiode.

Aus dem Aufsatz von F. Schuhmann und K.-H. Tiedgen "Temperaturstabilisierung von Laserdioden", Elektronik, Bd. 11, 1984, S. 59-62, ist eine Temperaturstabilisierung für Laserdioden bekannt, bei der das Gehäuse der Laserdiode durch ein Peltierelement geheizt oder gekühlt wird. Die Temperaturstabilisierung erfolgt durch einen Regelkreis, dem die mittels eines Temperaturfühlers gemessene Temperatur des Gehäuses der Laserdiode zugeführt wird und der die Wärmezu- oder -abfuhr regelt. Nachteilig wird auch hier lediglich die Temperatur beeinflußt.

Die JP 61-16 590 (A) zeigt eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur einer Laserdiode, bei der ein Mikroprozessor die Regelung der Temperatur übernimmt. Ansonsten wird auch hier die Wärmezu- oder -abfuhr mittels eines Peltierelementes an dem Gehäuse der Laserdiode durchgeführt. Das von der Laserdiode emittierte Licht wird von einer Photodiode aufgenommen und als Regelgröße dem Mikroprozessor zugeführt.

Auch hier ist lediglich eine Stabilisierung der Temperatur vorgesehen, nicht dagegen eine Stabilisierung der Frequenz der Laserdiode.

Weiterhin ist es bekannt, für Längenmessungen Helium-Neon- Laser einzusetzen. Diese Laser bieten den Vorteil, daß sich die Frequenz des Laserlichts über eine Naturkonstante ermitteln läßt und konstant ist. Nachteilig jedoch ist, daß diese Helium-Neon-Laser vergleichsweise groß sind und so für viele Anwendungsgebiete, wo es auf kleine Bauweise ankommt, beispielsweise bei dem Einbau in NC-gesteuertes Werkzeug und Koordinatenmaschinen nicht einsetzbar sind.

Weiterhin nachteilig sind die Helium-Neon-Laser im Vergleich zu einer Laserdiode wesentlich teurer, wodurch ebenfalls der Einsatz der Helium-Neon-Laser beschränkt wird.

Aus dem Aufsatz "Frequency Stabilisation of Semiconductor Lasers for Heterodyne-Type Optical Communication Systems", von T. Okoschi und K. Kikuchi, Electronics Letters, Vol. 16 No. 5, Febr. 1980, p. 179-181, ist ein Verfahren bekannt, welches nach Einregelung der Betriebsbedingungen der Laserdiode Frequenzschwankungen, die durch Temperatur- oder Spannungsschwankungen hervorgerufen werden, unterdrückt. Das Licht der Laserdiode wird dafür in zwei Meßpfade aufgespalten. Im ersten Meßpfad wird das Licht der Laserdiode direkt von einer Photodiode aufgenommen, im zweiten Meßpfad wird das Licht der Laserdiode über ein Fabry-Perot- Interferometer einer zweiten Photodiode zugeführt. Die Ausgänge beider Photodioden sind mit einem Differentialverstärker verbunden, dessen Ausgang wiederum zur Steuerung der Wärmezu- oder -abfuhr benutzt wird. Nachteilig ist, daß diese Frequenzstabilisierung erst nach Einregelung des Betriebszustandes der Laserdiode, also nachdem die Laserdiode bereits Licht bestimmter Frequenz emittiert, zur Anwendung kommt. Beim Abschalten und Hochregeln des Stroms der Laserdiode variiert bei diesem Verfahren die Frequenz des Lichts der Laserdiode, was die oben bereits beschriebenen Nachteile mit sich bringt. Weiterhin erfordert dieses Verfahren einen relativ großen apparativen Aufwand und ist dadurch bedingt teuer und auf Anwendungsgebiete beschränkt, bei denen für den Aufbau genügend Platz vorhanden ist.

Das Ausgangssignal des Differentialverstärkers kann anstatt zur Regelung der Wärmezu- oder -abfuhr zur Regelung der der Laserdioden zugeführten Stromstärke benutzt werden. Dies wird in dem Artikel "High Frequency Stability of Laserdiode for Heterodyne Communication Systems", F. Favre, D. Le Guen, Electronic Letters, Vol. 16, No. 18, Aug. 1980, p. 709 und 710, vorgeschlagen. Auch hier wird die Frequenz des Lichts der Laserdiode erst dann stabilisiert, wenn die Laserdiode bereits ihren Betriebszustand erreicht hat. Die oben geschilderten Nachteile gelten hier entsprechend.

Eine Vorrichtung zur Stabilisierung der Frequenz einer Laserdiode entsprechend den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 5 ist aus dem Bericht der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, "Temperaturstabilisierter, abstimmbarer und modulierter Diodenlaser", von A. Abou-Zeid und G. Leppelt, PTB-Me-67, April 1985, ISSN 0341-6720, bekannt. Es ist ein Temperaturregler vorgesehen, der das Gehäuse der Laserdiode auf konstanter Temperatur hält. Die der Laserdiode zugeführte Stromstärke wird von einem Anfangswert, nämlich Null, auf einen Sollwert, die einem Sollwertgeber vorgegeben wurden, mittels eines Stromreglers hochgeregelt. Dabei wird insbesondere die Temperatur der laseraktiven Zone verändert, was eine Änderung der Frequenz des Lichts der Laserdiode zur Folge hat. Nach einer bestimmten Zeit macht sich die Temperaturänderung der laseraktiven Zone als Temperaturänderung am Gehäuse der Laserdiode bemerkbar, woraufhin der Temperaturregler eine Wärmezu- oder -abfuhr an dem Gehäuse der Laserdiode bewirkt, die sich wiederum nach einer gewissen Zeitspanne in der aktiven Zone der Laserdiode bemerkbar macht. Die Frequenz des Lichts der Laserdiode variiert dabei bei jeder Temperaturänderung der laseraktiven Zone.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stabilisierung der Frequenz einer Laserdiode der eingangs beschriebenen Art so weiter zu bilden, daß die Frequenzstabilisierung einer Laserdiode mit einer Langzeitstabilität von Δν/ν 10^-6 erfolgt, und bei vorzugsweiser Benutzung in der Längenmeßtechnik die relative Genauigkeit der gemessenen Länge Δ s/s 10^-6 beträgt, mit s [m] Länge.

Erfindungsgemäß wird dies bei dem Verfahren der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Anspruches 1 erreicht. Bei erfindungsgemäßer Anwendung des Verfahrens weist das Licht der Laserdiode eine stets gleichbleibende Frequenz auf, unabhängig von der der Laserdiode zugeführten Stromstärke. Die Kompensation der Temperaturänderungen der laseraktiven Zone, hervorgerufen durch die Stromstärkeänderungen, erfolgt mittels Wärmezu- oder -abfuhr an dem Gehäuse der Laserdiode kontinuierlich in Abhängigkeit von der der Laserdiode zugeführten Stromstärke. Die Wärmezu- oder -abfuhr bzw. die Regelung der Stromstärke, erfolgt entsprechend einem Stabilitätsfaktor. Dieser Stabilitätsfaktor berücksichtigt einerseits den Wärmeübergang zwischen dem Gehäuse der Laserdiode und der laseraktiven Zone der Laserdiode und andererseits die Änderung der Frequenz des Lichts der Laserdiode in Abhängigkeit von der Temperatur der laseraktiven Zone der Laserdiode. Anschaulich läßt sich das Verfahren mittels eines Diagramms erklären, bei dem die der Laserdiode zugeführten Stromstärke über der Temperatur des Gehäuses der Laserdiode aufgetragen ist (Fig. 3). Für konstante Wellenlängen des Lichts der Laserdioden ergeben sich in diesem Diagramm Geraden mit negativen Steigungen. Wird nun die Stromstärke verändert, sei es um die Laserdiode einzuschalten oder durch Spannungsschwankungen im Netz, wird die Temperatur der laseraktiven Zone durch Wärmezu- oder -abfuhr an dem Gehäuse der Laserdiode entsprechend der Geraden in dem Diagramm Stromstärke über Temperatur des Gehäuses der Laserdiode für eine bestimmte Wellenlänge verschoben. Vorteilhaft wird damit erreicht, daß die Frequenz der Laserdiode in jedem Betriebszustand, also insb. auch bei den Messungen, konstant gehalten wird.

Weiterhin vorteilhaft ist, daß die Frequenz des Lichts der Laserdiode von vornherein sehr genau bekannt ist, da die bekannten Sprung- und Hystereseeffekte der Laserdiode bei diesem Verfahren nicht auftreten können. Dies ist damit zu erklären, daß die laseraktive Zone der Laserdiode stets auf konstanter Temperatur gehalten wird.

Vorteilhaft wird mit diesem Verfahren zur Stabilisierung der Frequenz einer Laserdiode eine Langzeitkonstanz der einmal eingestellten Frequenz über mind. mehrere Monate erreicht. Es sind somit keine aufwendigen Nacheichungen und Kontrollmaßnahmen erforderlich. Weiterhin kann vorteilhaft die Eichung der Laserdiode, also die Ermittlung des Stabilitätsfaktors, werksseitig vorgenommen und als Gerätefaktor der Laserdiode angegeben werden.

Durch die zuverlässige Stabilisierung der Frequenz der Laserdiode kann sie in vielen Anwendungsgebieten, die ihr vorher verschlossen blieben, eingesetzt werden. Der Vorteil solch einer Laserdiode, im Vergleich zu den sonst üblichen Helium-Neon-Lasern, liegt sowohl in der kompakten Bauweise als auch im geringen Anschaffungspreis. Weiterhin arbeitet eine Laserdiode hochspannungsfrei, hat eine hohe Ausgangsleistung und nur geringe Wärmeverluste sowie eine hohe Lebensdauer.

Vorteilhaft kann bei Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens eine bestimmte, vorgewählte Frequenz des Lichtes der Laserdiode eingestellt werden. Es können alle Frequenzen gewählt werden, die zwischen den Frequenzsprüngen der Funktion in dem Diagramm Wellenlänge des Lichtes der Laserdiode über der Temperatur der laseraktiven Zone der Laserdiode liegen.

Die Intensität des Lichtes der Laserdiode kann vorteilhaft durch Änderung der der Laserdiode zugeführten Stromstärke variiert werden, ohne daß sich eine Frequenzverschiebung des Lichts der Laserdiode ergibt. Verfahrensgemäß wird dann dabei die Temperatur des Gehäuses der Laserdiode derart nachgeregelt, daß die Temperatur der laseraktiven Zone der Laserdiode wiederum konstant bleibt.

Vorteilhaft kann die Temperatur der laseraktiven Zone der Laserdiode auch dann konstant gehalten werden, wenn die Stromstärke auf einen Anfangswert - insbesondere Null - erniedrigt wird. Das heißt also, daß die Regelung der Wärmezu- oder -abfuhr auch dann aktiv bleibt, wenn die Laserdiode selbst nicht betrieben wird. Temperaturschwankungen an dem Gehäuse der Laserdiode, hervorgerufen durch beispielsweise Änderung der Umgebungstemperatur, werden ausgeglichen, und die Temperatur der laseraktiven Zone der Laserdiode bleibt konstant. Dadurch entstehen bei Inbetriebnahme der Laserdiode praktisch keinerlei Anlaufzeiten und die Laserdiode ist sofort betriebsbereit.

Vorteilhaft kann zum Zwecke der Kalibrierung die Abhängigkeit der Wellenlänge von der Stromstärke einerseits und der Temperatur andererseits gemessen, die Steigungen der Kurven der Wellenlänge über der Stromstärke bei konstanter Temperatur und der Wellenlänge über der Temperatur bei konstanter Stromstärke aus diesen Messungen ermittelt und durch Quotientenbildung dieser Steigungen der Stabilitätsfaktor α errechnet werden, nach welchem die Temperatur der laseraktiven Zone der Laserdiode konstant gehalten wird. Durch die Bildung eines Stabilitätsfaktors kann für jede, sich individuell verhaltene Laserdiode, mit nur einem Wert dem Anwender mitgeteilt werden, wie er die verfahrensmäßig durchzuführende Regelung an die individuelle Laserdiode anpassen muß. Die Ermittlungen der Steigungen der Kurven der Wellenlänge des Lichts der Laserdiode über der Stromstärke bei konstanter Temperatur der laseraktiven Zone der Laserdiode und der Wellenlänge des Lichts der Laserdiode zu der Temperatur der laseraktiven Zone der Laserdiode bei konstanter Stromstärke durch Messung hat sich als einfach und sehr genau erwiesen. Der Wärmeübergang zwischen dem Gehäuse der Laserdiode und der laseraktiven Zone der Laserdiode, der mathematisch kaum oder nur mit erheblichem Aufwand berechenbar ist, wird durch die Messung automatisch erfaßt.

Vorteilhaft kann als Temperatur des Gehäuses der Laserdiode zu Beginn des Einschaltens des Stroms diejenige Temperatur benutzt werden, bei der auch der Stabilitätsfaktor ermittelt wurde. Damit wird mit sehr hoher Genauigkeit diejenige Frequenz des Lichts der Laserdiode erreicht, die vorher eingestellt wurde. Bei Einsatz der Laserdiode in der Längenmeßtechnik kann somit ein relativer Meßfehler erreicht werden, der kleiner als 10^-6 m/m ist, oder mathematisch ausgedrückt: Δ s/s 10^-6.

Die Stabilisierung der Frequenz des Lichts der Laserdiode, unabhängig von jeglichen Änderungen der der Laserdiode zugeführten Stromstärke, wird bei der Vorrichtung erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 5 erreicht. Damit werden vorteilhaft die aus dem Stand der Technik bekannten und oben beschriebenen Nachteile vermieden. Diese und weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.

Die Erfindung wird anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm der Wellenlänge des Lichts der Laserdiode über die Stromstärke;

Fig. 2 ein Diagramm der Wellenlänge des Lichts der Laserdiode über der Temperatur des Gehäuses der Laserdiode;

Fig. 3 ein Diagramm der Stromstärke über der Temperatur des Gehäuses der Laserdiode für verschiedene Wellenlängen des Lichts der Laserdiode;

Fig. 4 ein Diagramm der Stromstärke über der Zeit;

Fig. 5 ein Diagramm der Temperatur des Gehäuses der Laserdiode über der Zeit;

Fig. 6 ein Diagramm der Temperatur der laseraktiven Zone und der Frequenz der Wellenlänge des Lichts der Laserdiode über der Zeit;

Fig. 7 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 8 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt die Wellenlänge des emittierten Lichts der Laserdiode über der der Laserdiode zugeführten Stromstärke bei konstanter Temperatur der laseraktiven Zone. Es ergibt sich eine Treppenfunktion. Bei einigen Werten der der Laserdiode zugeführten Stromstärke ergeben sich Unstetigkeiten, zwischen denen die Funktion einen linearen Verlauf mit positiven Gradienten aufweist. Sowohl die Gradienten der geraden Stücke der Treppenfunktion als auch die Lage der Unstetigkeitsstellen sind für verschiedene Laserdioden unterschiedlich. Zur Ermittlung des Stabilitätsfaktors wird für jede einzelne Laserdiode individuelle dieser funktionale Zusammenhang durch Messung bestimmt. Es hat sich gezeigt, daß der individuelle Verlauf der Wellenlänge des emittierten Lichts der Laserdiode über der der Laserdiode zugeführten Stromstärke reproduzierbar ist, so daß diese Messung, die einen bestimmten apparativen Aufbau voraussetzt, werkseitig durchgeführt werden kann.

Fig. 2 zeigt die Wellenlänge des emittierten Lichts der Laserdiode über der Temperatur des Gehäuses der Laserdiode bei konstanter Stromstärke der Laserdiode. Der funktionale Zusammenhang ergibt sich wiederum als eine Treppenfunktion. Die Steigungen zwischen den Unstetigkeitsstellen sind positiv. Dieser funktionale Zusammenhang ist ebenfalls für jede Laserdiode individuell zu ermitteln, dann aber reproduzierbar. Somit kann auch diese Messung werkseitig durchgeführt werden. Mit Hilfe der beiden Steigungen dλ/di, dλ/dT läßt sich der Stabilitätsfaktor α durch Quotientenbildung errechnen. Für jeweils konstante Wellenlängen des emittierten Lichts der Laserdiode ergibt sich daraus in Abhängigkeit der Temperatur des Gehäuses der Laserdiode von der der Laserdiode zugeführten Stromstärke (Fig. 3). Jeder funktionale Zusammenhang stellt sich für konstante Wellenlänge des emittierten Lichts der Laserdiode als Gerade mit negativen Gradienten dar. Bei erfindungsgemäßer Anwendung des Verfahrens wird bei jeder Änderung der der Laserdiode zugeführten Stromstärke die Temperatur des Gehäuses der Laserdiode derart nachgeregelt, daß der Schnittpunkt zwischen der der Laserdiode zugeführten Stromstärke und der Temperatur des Gehäuses der Laserdiode in dem Diagramm stets auf ein und derselben Geraden liegt. Damit ist gewährleistet, daß bei jeglichen Änderungen der der Laserdiode zugeführten Stromstärke die Frequenz des emittierten Lichts der Laserdiode stets konstant ist. Ebenso können natürlich auch Änderungen der Temperatur des Gehäuses der Laserdiode durch entsprechende Änderungen der der Laserdiode zugeführten Stromstärke kompensiert werden. Wichtig ist nur, daß der Schnittpunkt beider Größen immer auf ein und derselben Geraden für die gewünschte Wellenlänge des Lichts der Laserdiode liegen.

Fig. 4 zeigt die Zeitabhängigkeit der der Laserdioden zugeführten Stromstärke. Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird die Stromstärke, wie die gestrichelte Linie zeigt, relativ schnell von einem Anfangswert, beispielsweise Null, auf einen Sollwert erhöht. Die durchgezogene Linie zeigt die Erhöhung der der Laserdiode zugeführten Stromstärke bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Stromstärke wird von einem Anfangswert wesentlich langsamer auf einen Sollwert erhöht. Die Änderung der Stromstärke erfolgt entsprechend dem vorher berechneten Stabilitätsfaktor. Der hier dargestellte Kurvenverlauf ist natürlich nur qualitativ zu verstehen, da die Änderung der Stromstärke nach einem, für jede Laserdiode individuellen, Stabilitätsfaktor bestimmt wird, und somit auch von der individuellen Ausführung des Gehäuses der Laserdiode abhängig ist.

Fig. 5 zeigt den Verlauf der Temperatur des Gehäuses der Laserdiode über der Zeit. Die gestrichelte Linie gibt die Verhältnisse bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wieder. Nach einer gewissen Ansprechzeit erhöht sich die Temperatur des Gehäuses der Laserdiode. Dies wird registriert und durch Wärmeabfuhr des Gehäuses der Laserdiode über die Temperatur des Gehäuses der Laserdiode innerhalb gewisser Grenzen konstant gehalten. Dadurch ergibt sich ein Einschwingvorgang, wie er schematisch in Fig. 5 dargestellt ist. Bei der erfindungsgemäßen Anwendung des Verfahrens dagegen wird die Temperatur des Gehäuses der Laserdiode kontinuierlich, in Abhängigkeit der Änderungen der der Laserdiode zugeführten Stromstärke, erniedrigt.

Fig. 6 demonstriert deutlich die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dort sind die Temperaturen der laseraktiven Zone der Laserdiode und die Wellenlänge des emittierten Lichts der Laserdiode über der Zeit aufgetragen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind sowohl die Temperatur der laseraktiven Zone als auch die Wellenlänge des emittierten Lichts der Laserdiode konstant. Anders dagegen verhält es sich bei Verfahren aus dem Stand der Technik, wie dies die gestrichtelten Linien zeigen. Die Temperatur der laseraktiven Zone steigt, bedingt durch die Erhöhung der der Laserdiode zugeführten Stromstärke, an. Aufgrund der Wärmeabfuhr des Gehäuses der Laserdiode fällt die Temperatur der laseraktiven Zone der Laserdiode wiederum ab, bis sie, nach einem Einschwingvorgang, einen konstanten Wert erhält. Die Wellenlänge des emittierten Lichts über der Zeit weist einen unstetigen und ungeordneten Wert auf. Dieser Kurvenverlauf ist nicht vorhersehbar und nicht reproduzierbar, da er sich aus einer Überlagerung der Kurvenverläufe entsprechend Fig. 1 und 2 zusammensetzt und weiterhin starke Hystereseeffekte auftreten.

Fig. 7 zeigt eine erste Version der Vorrichtung zur Stabilisierung der Frequenz einer Laserdiode. Eine Spannungsquelle 1 ist mit einem Sollwertgeber 2 verbunden. Der Ausgang des Sollwertgebers 2 liegt an einem Stromregler 3. Der Stromregler 3 besitzt zwei Ausgänge 4 und 5 und zwei Eingänge 6 und 7. Am Ausgang 4 ist eine Laserdiode 8 angeschlossen, am Ausgang 5 ein Kopplungsglied 9. Am Eingang 7 liegt der Ist-Wert der Stromstärke an, am Eingang 6 eine Führungsgröße 10, die vom Kopplungsglied 9 zur Verfügung gestellt wird. Weiterhin ist ein Temperaturregler 11 vorgesehen, an dem die Ist-Temperatur 12 des Gehäuses der Laserdiode 8 an einem Eingang 13 und eine Führungsgröße 14 des Kopplungsgliedes 9 an einem Eingang 15 anliegt. Ein Eingang 16 dient zur Aufnahme einer Soll-Temperatur 17. Weiterhin besitzt der Temperaturregler 11 zwei Ausgänge 18 und 19. Der Ausgang 18 ist mit dem Kopplungsglied 9 verbunden, der Ausgang 19 mit einem Peltierelement 20.

Die Ist-Temperatur 12 des Gehäuses der Laserdiode 8 wird gemessen und dem Temperaturregler 11 zugeführt. Der Temperaturregler 11 hält die Ist-Temperatur 12 des Gehäuses der Laserdiode 8 konstant, solange keine Führungsgröße 14 am Eingang 15 des Temperaturreglers 11 anliegt. Der Strom der Laserdiode 8 wird durch den Stromregler 3 geregelt. Der Ist- Wert des Stromes wird dem Stromregler 3 am Eingang 7 zugeführt. Der Soll-Wert des Stromes wird mit dem Sollwertgeber 2 eingestellt. Die Führungsgrößen 10 und 14 werden von dem Kopplungsglied 9 erzeugt. Beim Einschalten der Laserdiode 8 wird dem Sollwertgeber 2 der gewünschte Wert des Stroms vorgegeben. Der Stromregler 3 erhöht die der Laserdiode 8 zugeführten Stromstärke und gibt ein entsprechendes Signal an das Kopplungsglied 9. Das Kopplungsglied 9 legt Führungsgrößen 10 und 14 an den Stromregler 3 und den Temperaturregler 11 an. Diese Führungsgrößen 10 und 14 veranlassen den Stromregler 3 und den Temperaturregler 11, derart miteinander zu wirken, daß die über die Ausgänge 4 und 19 mit der Laserdiode 8 verbundenen Größen sich entsprechend dem Stabilitätsfaktor α verhalten.

Fig. 8 zeigt eine zweite Version der Vorrichtung zur Stabilisierung der Frequenz einer Laserdiode. Die Laserdiode 8 ist mit einem Mikroprozessor 21 verbunden. Der Mikroprozessor 21 besitzt einen Eingang 22 und zwei Ausgänge 23 und 24. Am Eingang 22 des Mikroprozessors 21 liegt die Ist-Temperatur 12 des Gehäuses der Laserdiode 8 an. Diese wird einem A/D-Wandler 25 zugeführt. Ein D/A-Wandler 26 legt ein analoges Signal an den Ausgang 23, der mit dem Peltierelement 20 der Laserdiode 8 verbunden ist. Ein weiterer D/A-Wandler 27 ist mit dem Ausgang 24, von dem aus die Speisung der Laserdiode 8 mit Strom erfolgt, und einem Eingang eines A/D-Wandlers 28 verbunden.

Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, daß die Steuerung der Laserdiode in bezug auf Strom und Temperatur jetzt von einem Mikroprozessor 21 übernommen wird. Die Ist-Temperatur 12 der Laserdiode 8 wird dem A/D-Wandler 25 zugeführt. Die Digitalinformation der Temperatur 12 wird sodann dem Mikroprozessor 21 zugänglich gemacht. Der Soll-Wert des Stroms und der Stabilitätsfaktor kann in den Mikroprozessor 21 fest einprogrammiert sein oder über externe Tastenfelder 29 eingebbar sein. Der Mikroprozessor 21 übernimmt dann die Regelung der der Laserdiode 8 zugeführten Stromstärke und Temperatur entsprechend dem Stabilitätsfaktor.

Bezugszeichenliste:

1 = Spannungsquelle
2 = Sollwertgeber
3 = Stromregler
4 = Ausgang
5 = Ausgang
6 = Eingang
7 = Eingang
8 = Laserdiode
9 = Kopplungsglied
10 = Führungsgröße
11 = Temperaturregler
12 = Ist-Temperatur
13 = Eingang
14 = Führungsgröße
15 = Eingang
16 = Eingang
17 = Solltemperatur
18 = Ausgang
19 = Ausgang
20 = Peltierelement
21 = Mikroprozessor
22 = Eingang
23 = Ausgang
24 = Ausgang
25 = A/D-Wandler
26 = D/A-Wandler
27 = D/A-Wandler
28 = A/D-Wandler
29 = Tastenfeld

Claims

1. Verfahren zur Stabilisierung der Frequenz einer Laserdiode, bei dem die Temperatur des Gehäuses der Laserdiode gemessen und durch Wärmezu- oder -abfuhr konstant gehalten wird und anschließend der zum Betreiben der Laserdiode erforderliche Strom eingeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke langsam von einem Anfangswert auf einen Sollwert entsprechend der gewünschten Ausgangsleistung der Laserdiode (8) gesteigert wird und dabei, sowie bei weiteren Veränderungen der Stromstärke, die Temperatur des Gehäuses (12) der Laserdiode (8) so verändert wird, daß die Temperatur der laseraktiven Zone der Laserdiode (8) entsprechend einem für die Laserdiode charakteristischen Stabilitätsfaktor konstant gehalten wird, mit
α [K/A] Stabilitätsfaktor,
λ [m] Wellenlänge des Lichtes der Laserdiode,
i [A] Stromstärke,
T [K] Temperatur des Gehäuses der Laserdiode.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der laseraktiven Zone der Laserdiode auch dann konstant gehalten wird, wenn die Laserdiode selbst nicht betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Kalibrierung die Abhängigkeit der Wellenlänge von der Stromstärke einerseits und von der Temperatur des Gehäuses andererseits gemessen wird, die Steigungen der Kurven der Wellenlänge über der Stromstärke bei konstanter Temperatur des Gehäuses und der Wellenlänge über der Temperatur des Gehäuses bei konstanter Stromstärke aus diesen Messungen ermittelt werden und durch Quotientenbildung dieser Steigungen der Stabilitätsfaktor α errechnet wird, nach welchem die Temperatur der laseraktiven Zone der Laserdiode (8) konstant gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperatur des Gehäuses der Laserdiode (8) zu Beginn des Einschaltens des Stroms diejenige Temperatur benutzt wird, bei der auch der Stabilitätsfaktor ermittelt wurde.

5. Vorrichtung zur Stabilisierung der Frequenz einer Laserdiode nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, die eine Spannungsquelle und einen Sollwertgeber aufweist, wobei der an dem Sollwertgeber eingestellte Wert der Stromstärke einem Stromregler zugeführt wird und der Stromregler einen Ist/Soll-Vergleich der Stromstärke durchführt und bei Abweichungen den Wert der Stromstärke korrigiert, der am Ausgang des Stromreglers anliegende Wert der Stromstärke der Laserdiode zugeführt wird und weiterhin ein Temperaturregler vorgesehen ist, der einen Vergleich zwischen der Ist-Temperatur des Gehäuses der Laserdiode und einer vorgegebenen Soll-Temperatur durchführt und durch entsprechende Wärmezu- und -abfuhr das Gehäuse der Laserdiode auf einer konstanten Temperatur hält, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kopplungsglied (9) vorgesehen ist, daß dem Kopplungsglied (9) die Ist-Größen des Stromreglers (3) und des Temperaturreglers (11) zugeführt werden, daß das Kopplungsglied (9) entsprechend dem Stabilitätsfaktor α Führungsgrößen (10, 14) an den Stromregler (3) und an den Temperaturregler (11) derart anlegt, daß die Frequenz des Lichtes der Laserdiode (8) konstant bleibt.

6. Vorrichtung zur Stabilisierung der Frequenz einer Laserdiode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsglied (9) Einrichtungen zur Veränderung des Stabilitätsfaktors aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsglied (9) aus analogen Schaltungselementen besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Kopplungsglied (9) ein Mikroprozessor (21) vorgesehen ist.